Đồ-Án-1 - Đồ Án Thiết Kế Bánh Răng.pdf

Trong quá trình lựa chọn vật liệu chế tạo và nhiệt luyện để đạt được cơ tínhyêu cầu nhóm em đã sử dụng và tra cứu một số những tài liệu sau: - Sổ tay nhiệt luyện Tập 1&2 - Nguyễn trung c

Lời Nói Đầu

Đồ án lựa chọn vật liệu là một môn học cơ bản của ngành vật liệu Mônhọc này không những giúp cho sinh viên có một cái nhìn cụ thể hơn thực tếhơn đối với các kiến thức đã được học, mà nó còn là cơ sở rất quan trọngcủa các môn chuyên ngành sẽ được học sau này

Trong quá trình lựa chọn vật liệu chế tạo và nhiệt luyện để đạt được cơ tínhyêu cầu nhóm em đã sử dụng và tra cứu một số những tài liệu sau:

- Sổ tay nhiệt luyện (Tập 1&2) - Nguyễn trung cảng

- Slide bài giảng học phần Vật liệu kỹ thuật – Nguyễn Ngọc Minh

- Phần mềm CES

Do là lần đầu làm quen với công việc lựa chọn vật liệu, cùng với sự hiểubiết còn hạn chế cho nên dù đã rất cố gắng tham khảo các tài liệu và bàigiảng của các môn có liên quan song bài làm của sinh viên chúng emkhông thể tránh khỏi những sai sót Kính mong được sự hướng dẫn và chỉbảo nhiệt tình của các thầy cô trong bộ môn giúp cho những sinh viên nhưchúng em ngày càng tiến bộ trong học tập

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ môn, đặc biệt là

có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao Em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên 1: Đoàn Văn SơnSinh viên 2: Lê Đình Hoan

Mục Lục

1 Lựa chọn chi tiết cần chế tạo: 4

1.1 ng d ng c a h p gi m tốếcỨ ụ ủ ộ ả 4

1.2 Đếầ tài đ t ra:ặ 4

2 Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết và yêu cầu về cơ tính: 5

2.1 Phần tích điếu ki n làm vi cệ ệ 5

2.2 B ng yếu cầầu vếầ c tính:ả ơ 5

3 Lựa chọn vật liệu phù hợp bằng phần mềm CES 5

4 Sử dụng phần mềm CES để lựa chọn ra các vật liệu phù hợp với điều kiện đặt ra ban đầu: 8

5 Xây dựng chỉ tiêu hiệu năng để tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu: sinh viên dựa vào hình dáng và điều kiện làm việc của chi tiết để xây dựng nên đường chỉ tiêu hiệu năng theo tiêu chí: rẻ nhất và nhẹ nhất: 8

5.1 Xầy đ ường ch tiếu hi u năng vếầ khốếi lỉ ệ ượng: 9

5.2 Xầy d ng đự ường ch tiếu hi u năng vếầ giá:ỉ ệ 10

6 Dùng phương pháp loại trừ để lựa chọn 3-5 loại vật liệu có chỉ tiêu hiệu năng cao nhất: 11

7 Phân tích và lựa chọn một vật liệu hợp lý nhất 12

8 Xây dựng quy trình chế tạo bánh răng 12

8.1 S đốầ các bơ ước Quy trình chếế t o:ạ 12

8.2 Các bước quy trình chếế t oạ 13

9 Xây dựng quy trình nhiệt luyện thích hợp (sơ bộ và kết thúc) khi áp dụng cho bánh răng: 13

9.1 Quy trình nhi t luy n:ệ ệ 13

9.2 Quy trình nhi t luy n s b :ệ ệ ơ ộ 14

9.3 Quy trình nhi t luy n kếết thúc:ệ ệ 14

10 So sánh hàm chỉ tiêu hiệu năng sau công nghệ nhiệt luyện 15

Phầần II: Thiếết kếế chi tiếết chốết Piston 16

1 Lựa chọn chi tiết cần chế tạo: 16

2 Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết: 16

2.1 Tr ng thái làm vi c chốết piston:ạ ệ 16

2.2 Yếu cầầu đốếi v i chốết piston:ớ 16

3 Dùng phần mềm CES để lựa chọn các loại vật liệu phù hợp 17

4 Sử dụng phần mềm CES để lựa chọn ra các vật liệu phù hợp với điều kiện đặt ra ban đầu: 19

5 Xây dựng chỉ tiêu hiệu năng để tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu: 19

5.1 Xầy đ ường ch tiếu hi u năng vếầ khốếi lỉ ệ ượng: 19

5.2 Xầy d ng đự ường ch tiếu hi u năng vếầ giá:ỉ ệ 20

6 Lựa chọn 4 vật liệu có hiệu năng tốt nhất: 20

7 Lựa chọn vật liệu: 21

8 Quy trình chế tạo 21

8.1 Quy trình chếế t oạ 21

8.2 Các bước quy trình chếế t oạ 22

9 Xây dựng quy trình nhiệt luyện thích hợp: 22

9.1 Quy trình nhi t luy n s b :ệ ệ ơ ộ 22

9.2 Quy trình nhi t luy n kếết thúc:ệ ệ 23

Phầần III: Kếết lu nậ 24

Tài li u tham kh oệ ả 25

Phần I: Thiết kế chi tiết bánh răng

1 Lựa chọn chi tiết cần chế tạo:

1.1 Ứng dụng của hộp giảm tốc

- Hiện nay, hộp giảm tốc được ứng dụng với nhiều ngành nghề khác nhau

Cụ thể như trong các dây truyền sản xuất thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, sản xuất bao bì… Nó đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hoạt động sản xuất Bên cạnh đó, hộp giảm tốc cũng được biết đến nhiều trong động cơ của xe máy và đồng hồ

- Hộp giảm tốc thường được thiết kế dựa theo cơ cấu chuyển động của bộ truyền bánh răng Vậy nên bánh răng là chi tiết cốt lõi quan trọng của mỗi Hộp giảm tốc

- Lựa chọn chi tiết cần chế tạo: Thiết kế chi tiết bánh răng lớn trên trục sơ cấp trong hộp giảm tốc (hộp giảm tốc 2 cấp đồng trục) của Động cơ K122S4

Hình 1 Hộp giảm tốc 2 cấp đồng trụ

1.2 Đề tài đặt ra:

- Thiết kế bánh răng lớn trên trục sơ cấp trong hộp giảm tốc

2 Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết và yêu cầu về cơ tính:

2.1 Phân tích điêu kiện làm việc

- Hộp số giảm tốc sẽ hoạt động theo 1 nguyên lý khá đơn giản đó là: Bánhrăng nhỏ quay 1 vòng, bánh răng lớn quay 3 vòng, đó là quá trình giảm tốc Bánh răng nhỏ quay 3 vòng, bánh răng lớn quay 1 vòng, đó là quá trình tăng tốc

- Bánh răng là chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đạp cao nên vật liệu thiết kếcần có độ cứng cao (52-58 HRC) để bánh răng thiết kế ra không bị biến trong quá trình làm việc

- Trong quá trình làm việc các bánh răng sẽ cọ xát với nhau, ma sát sẽ làm mòn đỉnh răng gây ra trượt răng nên vật liệu thiết kế cần có độ chịu mài mòn tốt trở lên

Yêu cầu về kinh tế:

- Giá thành rẻ, vật liệu chế tạo dễ tìm kiếm

- Tuổi thọ cao

2.2 Bảng yêu cầu về cơ tính:

3 Lựa chọn vật liệu phù hợp bằng phần mềm CES.

- Sử dụng phương pháp loại trừ để lựa chọn vật liệu theo từng cơ tính yêu cầu

Hình 2) Giới hạn đàn hồiGiới hạn đàn hồi (Pa): 4,0*10 – 7,5*10 (Pa)8 8

Hình 3 Giới hạn bềnGiới hạn bền mỏi(Pa): >= 6,0*10 (Pa)8

Hình 4 Độ dai phá hủy

Độ dai phá hủy (Pa): >= 6,3*107 (Pa/m )1/2

Hình 5 Độ cứng

Độ cứng (Pa): >= 1,88 *10 (Pa)9

Hình 6 Chịu mài mònChịu mài mòn: Good, very good

4 Sử dụng phần mềm CES để lựa chọn ra các vật liệu phù hợp với điều kiện đặt ra ban đầu:

Hình 7 Các vật liệu phù hợp với điều kiện

Từ yêu cầu cơ tính ban đầu khi nhập vào phần mềm CES ta lựa ra được 116 mác thép phù hợp với cơ tính đã chọn

5 Xây dựng chỉ tiêu hiệu năng để tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu: sinh viên dựa vào hình dáng và điều kiện làm việc của chi tiết để xây dựng nên đường chỉ tiêu hiệu năng theo tiêu chí: rẻ nhất và nhẹ nhất:

Chi tiết chế tạo từ dạng trụ tròn nên ta có: V = S h

Ta có:

Mà

Điều kiện đủ làm việc:

Nên:

Để vật liệu chế tác ra nhẹ nhất khi M min

Mà: F, h không thay đổi nên: M khi min

Ta có Hàm cực tiểu về khối lượng (hàm chỉ tiêu hiệu năng về khối lượng):

Ta có:

Ta có Hàm cực tiểu về giá (hàm chỉ tiêu hiệu năng về giá):

(: giới hạn đàn hồi, : khối lượng riêng, S: diện tích bề mặt của bánh răng, h chiềudày bánh răng, M: khối lượng, : giá thành)

5.1 Xây đường chỉ tiêu hiệu năng về khối lượng:

Hình 8 Đường chỉ tiêu hiệu năng về khối lượng

5.2 Xây dựng đường chỉ tiêu hiệu năng về giá:

Hình 9 Đường chỉ tiêu hiệu năng về giá

6 Dùng phương pháp loại trừ để lựa chọn 3-5 loại vật liệu có chỉ tiêu hiệu năng cao nhất:

Hình 10 Vật liệu phù hợp

Từ những tiêu chi cơ tính và các hàm chỉ tiêu hiệu năng khi nhập vào phần mềm CES ta lựa ra được 3 mác thép rẻ nhất và nhẹ nhất

<2,5Mo, <2,5V

7 Phân tích và lựa chọn một vật liệu hợp lý nhất

Chọn dùng thép cacbon trung bình để thiết kế là bởi:

1 Dễ kiếm, dễ luyện, rẻ, không phải dùng nguyên tố hợp kim đắt tiền, tính công nghệ tốt.

2 Bánh răng chế tạo là chi tiết chịu tải tĩnh lớn, chịu va đập mạnh, chịu ma sát liên tục khi hoạt động do vậy nên phù hợp với mác thépcacbon có hàm lượng cacbon 0,3-0,5 %C

3 Cơ tính nhất định phù hợp với tát cả các điều kiện thông dụng.Chọn mác thép C45 để thiết kế bánh răng

8 Xây dựng quy trình chế tạo bánh răng

8.1 Sơ đồ các bước Quy trình chế tạo:

8.2 Các bước quy trình chế tạo

Bước 1: Chuẩn bị phôi C45

Bước 2: Gia công tạo hình

Phôi thép

C45

Gia công c ơ

khí hoàn

- Cắt phôi

Bước 3: Nhiệt luyện sơ bộ

- Phương pháp nhiệt luyện: Ủ hoàn toàn Tác dụng gia tăng tính dẻo, giảm độ cứng giúp dễ dàng cho gia công cắt gọt

- T = 840

Bước 4: Gia công cơ khí

- Gia công thô

- Gia công tinh

Bước 5: Nhiệt luyện kết thúc

- Phương pháp nhiệt luyện: Nhiệt luyện hóa tốt Tác dụng gia tăng độcứng và tính chống bào mòn cho bề mặt bánh tăng, trong giữ được

9.1 Quy trình nhiệt luyện:

Công nghệ nhiệt luyện sơ bộ: Ủ hoàn toàn

Giải thích: Vì mác thép chọn là mác thép có hàm lượng C trung bình (thép trước cùng tích) nên chọn công nghệ ủ hoàn toàn cho quá trình nhiệt luyện sơ bộ để đạt được hiệu quả tốt nhất

Công nghệ nhiệt luyện kết thúc: Nhiệt luyện hóa tốt

Giải thích: Vì chi tiết thiết kế bề mặt cần độ cứng cao, chống mài mòn, lõi lại cần dẻo dai, chịu va dập cao nên chọn công nghệ nhiệt luyện hóa tốt để nhiệt luyện cơ tính cho vật liệu

9.2 Quy trình nhiệt luyện sơ bộ:

Ủ Hoàn toàn:

- Mục đích: Quá trình ủ hoàn toàn giảm độ cứng, làm nhỏ hạt, tạo Peclit tấm Thu được F và P tấm

Chọn nhiệt độ nung: T nung = 840 ℃

Quy trình: Ủ hoàn toàn

9.3 Quy trình nhiệt luyện kết thúc:

Tôi + ram cao:

- Mục đích: Nhận được tổ chức tổ hợp cơ tính tốt nhất Xoocbit

- Tôi, nhiệt độ nung T nung = 850 0 C Ram cao, nhiệt độ nung T nung =

650 0 C

Tôi bề mặt: Tôi tần số

- Mục đích: Nhận được tổ chức Mactenxit gia tăng độ cứng bề mặt, chọn dùng công nghệ tôi tần số nhờ ưu điểm điện tích tự do trên lớp bề mặt kim loại, và tốc độ nung nhanh

10 So sánh hàm chỉ tiêu hiệu năng sau công nghệ nhiệt luyện

Giới hạn đàn hồi của thép C45

Sau ủ:

Sau Tôi + Ram 650

-> Hàm chỉ tiêu hiệu năng có sự thay đổi do giới hạn đàn hồi thay đổi

Phần II: Thiết kế chi tiết chốt Piston

1 Lựa chọn chi tiết cần chế tạo:

Lựa chọn chi tiết cần chế tạo: Thiết kế chi tiết chi tiết chốt piston ô tô

2 Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết:

2.1 Trạng thái làm việc chốt piston:

- Chốt piston là chi tiếc máy nối piston với thanh truyền nó truyền lực tác dung của khí thể tác dụng lên piston cho thanh truyền để làm quay trục khuỷu, vì vậy tuy là một chi tiếc máy đơn giản nhưng rất quan trọng Trong quá trình làm việc, chốt piston chịu lực khí thể và lực quán tính rất lớn, các lực này đều thay đổi theo chu kỳ đồng thời có tính chất va đập mạnh, nhất là trong động cơ cao tốc

- Do nhiệt độ làm việc của chốt piston tương đối cao (>100 C) mà 0 chốt piston lại khó chuyển động xoay tròn trong bệ chốt nên rất khóbôi trơn, ma sát dưới dạng nửa ướt do vậy nên dễ bị ăn mòn 2.2 Yêu cầu đối với chốt piston:

- Chốt piston phải được nhiệt luyện theo công nghệ đặc biệt, đảm bảo bề mặt làmviệc của chốt piston có độ cứng cao, chống mòn tốt, nhưng ruột chốt lại phải dẻo

để chống mỏi tốt Mặt chốt phải mài bóng để tránh ứng suất tập trung Chốt piston đóng vai trò rất quan trọng vì nếu như chốt piston bị hỏng trong quá trình làm việc thi sẽ dẫn đến động cơ sẽ hư hỏng rất nghiêm trọng Đôi khi trong động

cơ điêzen cỡ lớn, không dùng chốt piston mà thay thế bằng khớp cầu trên đầu nhỏ thanh truyền

Bảng yêu cầu về cơ tính:

3 Dùng phần mềm CES để lựa chọn các loại vật liệu phù hợp

Giới hạn đàn hồi (Pa):

Độ bền kéo (Pa):

Mô đun khối (Pa):

Bào mòn: Good, very good

4 Sử dụng phần mềm CES để lựa chọn ra các vật liệu phù hợp với điều kiện đặt ra ban đầu:

5 Xây dựng chỉ tiêu hiệu năng để tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu:

5.1Xây đường chỉ tiêu hiệu năng về khối lượng:

5.2Xây dựng đường chỉ tiêu hiệu năng về giá:

6 Lựa chọn 4 vật liệu có hiệu năng tốt nhất:

7 Lựa chọn vật liệu:

AISI 4140

Chi tiết chốt piston là chi tiết chịu lực uốn, đặc biệt phần bề mặt của chốt, chịu lực va đập của thanh truyền tác dụng lên… nên dùng thép hợp kim có hàm lượng C trung bình (thép có hàm lượng%C từ 0,3% đến 0,5%) để chế tạo.

Dùng mác thép AISI 4140 để thiết kế là vì trong 4 mác thép thì mác thép

AISI 4140 có hàm lượng Molypden cao nhất, vì bởi nguyên nhân chính:

- Trong thép, Molypden làm gi m đ giòn cũng nh tăng cả ộ ư ường s cứ

Chọn mác thép cacbon AISI 4140 là để thiết kế chi tiết

8 Quy trình chế tạo

8.1 Quy trình chế tạo

8.2 Các bước quy trình chế tạo

Bước 1: Chọn phôi thép 4140

Bước 2: Theo kích thước của chốt piston để cắt phôi với dung sai kiểm soát ở mức 1g.

Bước 3: Nhiệt luyện sơ bộ: Ủ hoàn toàn thanh ở nhiệt độ 870 o C.Bước 4: Thanh tạo hình cầu được đưa qua máy mài để loại bỏ lớp da ôxíttrên bề mặt thanh và các khuyết tật di truyền vết nứt vi mô

- Mang thanh đến máy ép thủy lực để đục lỗ

Bước 5: Nhiệt luyện kết thúc : Nhiệt luyện hóa tốt

Bước 6: Gia công tạo độ nhẵn cho chốt chống ma sát và kiểm tra lại các thông số kĩ thuật

Bước 7: Hoàn thiện sản phẩm

9 Xây dựng quy trình nhiệt luyện thích hợp:

9.1 Quy trình nhiệt luyện sơ bộ:

Ủ:

Mục đích: Quá trình ủ hoàn toàn giảm độ cứng, làm nhỏ hạt, tạo Peclit tấm

- Chốt sau khi được tạo hình sơ bộ được làm ấm lên đến 870 ℃

9.2 Quy trình nhiệt luyện kết thúc:

Tôi + ram cao:

Mục đích: kết hợp 2 phương pháp này giúp cho vật liệu có được cơ tính tổng hợp cao Sau khi hoàn thành tổ chức nhận được sẽ là xementit cùng với feritQuá trình: Thực hiện nung nóng thép đến nhiệt độ T = Ac3 + (30ºC - 50ºC) sau đó giữ nhiệt và làm nguội nhanh đối với mác thép 4140 nung lên

890 0 C Môi trường tôi trong dầu Sau đó thực hiện quá trình ram cao ở nhiệt độ

560 0 C trong thời gian 60 phút- Môi trường ram trong nước.

Tôi bề mặt:

Mục đích: tôi bề mặt là phương pháp tôi bộ phận kim loại, chỉ có lớp bề mặt của sản phẩm được tôi và làm nguội nhanh Tổ chức lớp bề mặt của chi tiết lúc này là mactenxit giúp gia tăng độ cứng cho bề mặt sản phẩm

Phương pháp: chúng ta sử dụng phương pháp tôi tần số Chi tiết được nung nhanh băng ngọn lửa axetylen để đạt đến nhiệt độ 1000 0 C sau đó được làm nguội nhanh trong nước hoặc dung dịch hóa chất

- Việc sử dụng phần mềm CES để lựa chọn vật liệu chế tạo mang lại nhiều lợi ích Dựa vào các chỉ tiêu cơ tính đối với chi tiết được chọn, ta

có thể dễ dàng kết hợp và lọc ra những vật liệu đủ tiêu chuẩn từ cơ sở dữliệu có sẵn trước đó Từ đó làm giảm đáng kể thời gian đồng thời cũng lựa chọn được vật liệu tối ưu nhất đối với từng điều kiện làm việc cụ thể

Nhược điểm:

- Tuy nhiên vì cơ sở dữ liệu đã có sẵn từ trước nên không thể tránh việc bịthiếu sót những loại vật liệu mới nên việc cập nhật cơ sở dữ liệu thường xuyên trên CES là điều không thể thiếu

Tài liệu tham khảo

1 Slide bài giảng học phần vật liệu kĩ thuật – Nguyễn Ngọc Minh

2 Giáo trình vật liệu cơ khí bản web:

https://sites.google.com/site/truongvanchinhvatlieucokhi/home

3 Sổ tay nhiệt luyện (tập 1-2)- Nguyễn trung cảng